JPH0732147A - ロボットのウィービング制御パラメータ計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ウィービング振幅の指令値を補正するためのウ
ィービング制御パラメータの計測を簡便かつ高精度に行
う。 【構成】異なる周波数のウィービング指令信号が、ロボ
ットの制御装置に対して制御パラメータの数に応じた回
数だけ順次入力される。そしてこの入力された各ウィー
ビング指令信号に応じて描かれるウィービング波形の振
幅がそれぞれ検出され、この検出された振幅に対する上
記入力されたウィービング指令信号の振幅の比がそれぞ
れ上記伝達関数に等しいと置いた式を、異なる周波数ご
とに作成し、これら式を連立して解くことにより制御パ
ラメータの値を求める。制御装置はこの求められた制御
パラメータの値に応じて上記ウィービング指令信号を補
正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接ロボットに関し、
特にウィービング波形の振幅の指令値を補正するために
使用されるウィービング制御パラメータを計測する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接ロボットはいわゆるウィービング溶
接により溶接作業を行うのが一般的である。ウィービン
グ溶接とは、ロボットのアーム先端に取り付けられた溶
接トーチを溶接線の方向に対してたとえば垂直の方向に
所定のウィービング振幅およびウィービング周波数で揺
動させつつ溶接線に沿って移動させ溶接を行うというも
のである。このウィービング溶接は、ロボットの全動作
軸を駆動させてトーチ先端を上記のごとくウィービング
動作させることによって行われる。このように溶接トー
チにウィービング動作を行わせる場合には、ロボットの
制御装置に指令振幅を入力することになるが、この指令
振幅と実際に得られるウィービング振幅との間にはずれ
がある。そこで、所望のウィービング振幅が得られるよ
うに、指令振幅を補正する必要がある。

【０００３】この種の補正装置としては、たとえば、特
開平３−２０７５７６号公報に開示されたものがある。

【０００４】この公報に記載された技術は、ロボットの
ウィービング作業位置から補正対象軸のイナーシャＩを
演算によって求め、この演算されたイナーシャＩと、予
め求めておいたロボット駆動系のバネ定数Ｋから補正対
象軸の固有振動数ωnを演算し、この演算された固有振
動数ωnと粘性係数ζから、ウィービング周波数ωWの共
振率を演算し、この演算された共振率の逆数を用いて、
補正対象軸のウィービング振幅指令値を補正す、所望の
ウィービング振幅を得るというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来技術では、
バネ定数Ｋと粘性係数ζは、予め求めておき既知のパラ
メータとして記憶しておかれる。しかし、バネ定数Ｋ、
粘性係数ζといったパラメータは、ロボットごとに差異
があるため、個々のロボットごとに実測して求める必要
があり、計測には多大な時間と労力を要することになっ
ている。

【０００６】しかも従来技術においては、ロボットのウ
ィービング振幅指令値を補正するパラメータである固有
振動数ωnを求めるために下式が用いられる。

【０００７】ωn＝√（Ｋ／Ｉ） ここで、イナーシャＩは設計値から計算で求められ、バ
ネ定数Ｋは実測で求められる。

【０００８】しかし、一般にイナーシャＩはアーム長、
アーム質量といった種々の設計値を使用して計算される
ため、計算されるイナーシャＩには計算途上の誤差が多
く含まれてしまう。このイナーシャＩの誤差は上記式か
ら明かなように固有振動数ωnに大きく影響を与え、こ
のため正確な固有振動数ωnが得られないという問題が
招来する。しかも、バネ定数Ｋを実測で求める際には、
一般に荷重検出器と変位計測器とにより対象軸の静剛性
を計測する必要があり、かかる計測は多大な時間と労力
を要するという問題がある。さらに、この計測によって
得られたバネ定数Ｋを用いて上記式から固有振動数ωn
を求めたとしても、バネ定数Ｋ自体の計測に誤差がある
場合には、必ずしも正確な固有振動数ωnが得られない
という問題も生ずる。

【０００９】このように従来技術によれば、ウィービン
グ振幅指令値を補正するためのパラメータを求める際
に、多大な時間と労力を費やしており、しかも精度のよ
い値が必ずしも得られないことになっている。このた
め、このようにして得られたパラメータを用いて補正を
行ない溶接作業を行ったとしても、所望のウィービング
振幅が得られず全体として作業性が大きく損なわれてし
まう。

【００１０】本発明は、かかる実状に鑑みてなされたも
のであり、従来技術の問題点を除去してウィービング振
幅指令値を補正するための制御パラメータを簡便かつ高
精度に求めることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
ロボット先端に取り付けられた溶接トーチにウィービン
グ波形を所望の振幅で描かせるためのウィービング指令
信号を前記ロボットの制御装置に対し入力することによ
り、前記ロボットの各軸を駆動させ前記溶接トーチに前
記ウィービング波形を描かせるとともに、該描かれたウ
ィービング波形の振幅を出力とし、かつ前記ウィービン
グ指令信号の振幅を入力とする前記制御装置の伝達関数
のウィービング制御パラメータの値に応じて、前記ウィ
ービング波形の振幅が前記所望の振幅となるように前記
ウィービング指令信号の振幅を補正するようにしたロボ
ットのウィービング制御装置に使用されるロボットのウ
ィービング制御パラメータ計測装置において、異なる周
波数のウィービング指令信号を、前記制御装置に対して
前記ウィービング制御パラメータの数に応じた回数だけ
順次入力し、前記入力された各ウィービング指令信号の
振幅に応じて描かれるウィービング波形の振幅をそれぞ
れ検出し、該検出された振幅に対する前記入力されたウ
ィービング指令信号の振幅の比が前記伝達関数に等しい
と置いた式を、異なる周波数ごとに作成し、これら式を
連立して解くことにより前記ウィービング制御パラメー
タの値を求めるようにしている。

【００１２】

【作用】ロボットの制御系がたとえば２次系であるとす
ると、上記制御装置の２次系伝達関数のウィービング制
御パラメータは、粘性係数ζと固有振動数ωnとなる。
この伝達関数の応答特性は、sin波振幅入力に対する出
力振幅の比（ゲイン）を縦軸に、周波数を横軸にとった
グラフ上に表すことができる。

【００１３】ここで、ロボットの溶接トーチが行うウィ
ービングは一般にsin波であることから、ウィービング
指令信号の振幅は、上記伝達関数のsin波振幅入力と考
えられる。

【００１４】一方、上記伝達関数の出力振幅は、ロボッ
ト先端に取り付けられた溶接トーチが描くウィービング
波形の振幅である。

【００１５】よって、上記２次系伝達関数のウィービン
グ制御パラメータζ、ωnを求めるためには、上記ウィ
ービング指令信号の振幅と上記ウィービング波形の振幅
をそれぞれ上記伝達関数の入力および出力として上記伝
達関数のゲインを求め、このゲインが上記伝達関数に等
しいとおいた式を、未知数のパラメータζ、ωnに応じ
た数だけ作成し、これら式を連立して上記未知数を解け
ばウィービング制御パラメータζ、ωnの値を求めるこ
とができる。連立されるべき２つの式はウィービング周
波数を異ならせることにより生成することができる。

【００１６】すなわち、異なる周波数（３Ｈz、５Ｈz）
のウィービング指令信号Ｘrが、ロボットの制御装置に
対してウィービング制御パラメータ（ζ、ωn）の数に
応じた回数（２回）だけ順次入力される。そしてこの入
力された各ウィービング指令信号に応じて描かれるウィ
ービング波形の振幅Ｘ（１）、Ｘ（２）がそれぞれ検出
され、この検出された振幅に対する上記入力されたウィ
ービング指令信号の振幅の比（Ｘ（１）／Ｘr、Ｘ
（２）／Ｘr）がそれぞれ上記伝達関数に等しいと置い
た式を、異なる周波数ごとに作成し、これら式を連立し
て解くことによりウィービング制御パラメータの値を求
める。制御装置は、この求められたウィービング制御パ
ラメータの値を使用して上記ウィービング指令信号を補
正する。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るロボット
のウィービング制御パラメータ計測装置の実施例につい
て説明する。

【００１８】図１は実施例の計測装置をブロック図にて
示したものであり、図２は図１に示す加速度−変位変換
処理部の詳細ブロック図である。

【００１９】図１の構成において１５の波線で囲まれた
部分は、ロボット出荷検査時において後述するウィービ
ング制御パラメータζ、ωnを計測するウィービング制
御パラメータ計測部であり、溶接作業中はこの計測部１
５を除いたロボット１５とロボット制御部６とによって
ロボット１０が駆動制御されることになる。

【００２０】なお、この実施例に適用されるロボットと
しては図３に示すＳ１〜Ｓ６の６軸からなる垂直多関節
ロボット１０を想定しており、図１に示すロボット制御
部６は、ロボット１０のアーム先端に取り付けられた溶
接トーチ１３によってウィービング波形１２（図４参
照）が描かれるようにロボット各軸Ｓ１〜Ｓ６を制御す
るものである。なお、本発明としては６軸の垂直多関節
ロボットに限定されることなく、他の型式のロボットに
も適用可能である。

【００２１】さて、図１に示すように、ロボット１０の
溶接トーチ１３には加速度検出器１が装着されている。
加速度検出器１は、ロボット出荷検査時の後述するウィ
ービング指令補正時のみに必要であり、通常の溶接作業
中は外される。

【００２２】自動計測部５は、加速度検出器１が溶接ト
ーチ１３に装着された後ウィービング指令補正の指示が
与えられることにより、所定の指令振幅をもってウィー
ビング動作をロボット１０に行わせるための信号をロボ
ット制御部６に送出する。

【００２３】ロボット制御部６は、上記自動計測部５か
ら出力される信号に応じてロボット１０の各軸を駆動制
御して、溶接トーチ１３に図４に示すウィービング波形
１２を描かせるものである。ここで、ロボット１０の制
御系は、２次系であり、これを上記指令振幅を入力、溶
接トーチ１３先端が描くウィービング波形１２の振幅を
出力とする伝達関数で表したとき、この伝達関数は、粘
性係数ζ、固有振動数ωnを制御パラメータとして、記
述される。この伝達関数については後述する。また、こ
れら制御パラメータは、ウィービング制御の補正に使用
されるウィービング制御パラメータである。

【００２４】加速度検出器１は、溶接トーチ１３先端の
加速度αを検出するものであり、該加速度αを示すアナ
ログ信号をＡ／Ｄ変換器２に加える。Ａ／Ｄ変換器２
は、入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換
し、ディジタルの加速度信号αを加速度−変位変換処理
部３に加える。

【００２５】加速度−変位変換処理部３は、図２のよう
に構成されており、入力された加速度信号αの低周波域
をハイパスフィルタ３ａによりカットオフして、高周波
域のみの加速度信号αを積分器３ｂに加える。積分器３
ｂは入力された加速度αを２回積分して、溶接トーチ１
３の変位Ｘ、つまりウィービング波形１２の振幅Ｘ
（ｉ）（ｉは周波数に応じて変化するパラメータ）を出
力し、これを２次系伝達関数同定処理部４に加える。

【００２６】２次系伝達関数同定処理部４は、入力され
た変位信号Ｘに基づいて後述するようにしてロボット１
０の制御系の伝達関数の制御パラメータζ、ωnを演算
し、これを自動計測部５を介してロボット制御部６に加
える。ロボット制御部６は、入力された制御パラメータ
ζ、ωnにより振幅指令値を補正して、溶接作業の際
に、この補正された振幅指令値をロボット１０に加え、
ロボット１０を駆動制御する。

【００２７】この実施例では、図３に示すように、溶接
トーチ１３の先端を異なる２点Ｐ1、Ｐ2に位置させた各
姿勢における制御パラメータζ、ωnが求められる。

【００２８】図３において、トーチ先端がＰ1に位置さ
れたときは、第１軸Ｓ１のイナーシャＩが最小値Ｉmin
になり、トーチ先端がＰ2に位置されたときは、第１軸
Ｓ１のイナーシャＩが最大値Ｉmaxになる。

【００２９】このように、Ｐ1、Ｐ2点それぞれで制御パ
ラメータζ、ωnを求めておけば、これら制御パラメー
タζ、ωnと第１軸Ｓ１のイナーシャＩmin、Ｉmaxとか
ら、第１軸Ｓ１のイナーシャＩと制御パラメータζ、ω
nとの関係を求めることができる。

【００３０】そこで、この関係を予め求めておけば、溶
接トーチ１３の先端が所定位置に位置されたときの制御
パラメータζ、ωnは、当該所定の位置をとったときの
第１軸Ｓ１のイナーシャＩを上記関係に適用することに
より近似的に求めることができる。第１軸Ｓ１について
の制御パラメータζ、ωnと同様に、第２軸Ｓ２、３軸
Ｓ３…についての制御パラメータζ、ωnも同様にして
求めることができる。

【００３１】よって以下、トーチ先端をＰ1点に位置さ
せた姿勢における制御パラメータζ、ωnを求める処理
について説明する。

【００３２】制御パラメータζ、ωnは、後述する連立
方程式によって求められる。したがって、未知数はζ、
ωnの２つであり、そのために式が２つ必要なので、２
つの異なる周波数でウィービング波形を描かせるための
信号を自動計測部５からロボット制御部６に出力する必
要がある。この実施例では、３Ｈz、５Ｈzの異なる周波
数を選択しているが、ウィービング可能な周波数であれ
ば、他の周波数でもよい。

【００３３】さて、ロボット１０の溶接トーチ１３は一
般に図４に示すように、溶接線方向１１に対して直角に
ウィービング動作を行う。したがって、加速度αは、溶
接線方向１１に対して直角な方向のベクトル１４で表さ
れる。加速度検出器１は、ウィービング動作中の加速度
αを検出するものであるので、上記ベクトル１４に平行
に装着されることが望ましい。

【００３４】このように溶接トーチ１３に加速度検出器
１が装着されると、指令振幅をＸrとして、周波数３Ｈz
のウィービング波形をロボット１０に描かせるための信
号を、自動計測部５からロボット制御部６に送出する。
ロボット１０がウィービング動作を開始したことを確認
すると、Ａ／Ｄ変換器２は加速度検出器１で検出された
加速度信号αを取り込み、ディジタル信号に変換し、こ
れを加速度−変位変換処理部３に加える。加速度−変換
処理部３は、図２に示すようにして入力された加速度信
号αを２回積分する処理を実施し、トーチ１３の振幅変
位Ｘ（１）（「１」は周波数３Ｈzを意味する）を求め
る。なお、ハイパスフィルタ３ａにおけるカットオフ周
波数は３Ｈzと５Ｈzの信号が必要であるため約０．３Ｈ
zに設定される。

【００３５】加速度−変位変換処理部３で求められた振
幅変位Ｘ（１）は、２次系伝達関数同定処理部４に加え
られ、計測データは３Ｈzに対応するデータとして記
憶、保持される。このとき与えられた指令振幅Ｘrも同
様にして２次系伝達関数同定処理部４に記憶、保持され
る。以下、同様にして、自動計測部５は、ロボット制御
部６と通信しながら、指令振幅を３Ｈzの場合と同じＸr
にして周波数５Ｈzでロボット１０にウィービング波形
を行わせるための信号の送出処理、周波数５Ｈzの振幅
変位Ｘ（２）（「２」は周波数５Ｈzを意味する）の計
測処理、２次系伝達関数同定処理４に計測値Ｘ（２）、
指令振幅Ｘrをデータとして記憶、保持する処理を行
う。

【００３６】このようにして異なる周波数３Ｈz、５Ｈz
における計測が終了すると、２次系伝達関数同定処理部
４は、計測されたデータに基づいて制御パラメータζ、
ωnを以下のような演算により求める処理を行う。

【００３７】すなわち、まず２次系伝達関数同定処理４
に記憶されたデータから下記（１）、（２）式のごとく
振幅変位Ｘ（ｉ）に対する指令振幅Ｘrの振幅比Ｇ
（ｉ）（ｉ＝１、２）が求められる。

【００３８】 Ｇ（１）＝Ｘ（１）／Ｘr ：周波数＝３Ｈz …（１） Ｇ（２）＝Ｘ（２）／Ｘr ：周波数＝５Ｈz …（２） ところで、制御パラメータζ、ωnは、上記指令振幅Ｘr
を入力とし、振幅変位Ｘ（１）、Ｘ（２）を出力するロ
ボット１０の制御系（２次系）の伝達関数Ｇ（ｓ）の制
御パラメータとして、下記（３）式のように表される。
なお、以下「＾2」とあるのは２乗を意味するものと定
義する。

【００３９】 Ｇ（ｓ）＝ωn＾2／（ｓ＾2＋２ζωn＋ωn＾2） …（３） 制御パラメータζ、ωnは、上記（３）式を解くことに
より得られるが、ラプラス変換式のままでは求めること
ができないので、下記（４）式に示すように振幅比の形
に変換して、この（４）式から制御パラメータζ、ωn
を求めるようにする。

【００４０】 Ｇ（ｉ）＝１／√（（１−ω＾2／ωn＾2）＾2＋４ζ＾2ω＾2／ωn＾2） …（４） ただし、ωは計測される周波数である。

【００４１】上記（４）式は、振幅比の形で表されてい
るため、上記（１）、（２）式の振幅比Ｇ（１）、Ｇ
（２）をそのまま代入することができる。

【００４２】よって、上記（４）式の左辺に振幅比Ｇ
（１）、Ｇ（２）を代入すると、下記（５）式に示す連
立方程式が得られる。

【００４３】 Ｇ（１）＝Ｘ（１）／Ｘr＝１／√（（１−（ω｜3）＾2／ωn＾2）＾2 ＋４ζ＾2・（ω｜3）＾2／ωn＾2） Ｇ（２）＝Ｘ（２）／Ｘr＝１／√（（１−（ω｜5）＾2／ωn＾2）＾2 ＋４ζ＾2・（ω｜5）＾2／ωn＾2） …（５） ここで、ω｜3は３Ｈzを表し、ω｜5は５Ｈzを表すもの
とする。

【００４４】よって、制御パラメータζ、ωnは、上記
連立方程式を解くことにより容易に求めることができ
る。このようにトーチ１３の先端をＰ1点に位置させた
姿勢における制御パラメータζ、ωnが求められるが、
Ｐ2点に位置させた姿勢における制御パラメータζ、ωn
も同様にして求めることができる。このようにして、各
姿勢における制御パラメータζ、ωnが求められたなら
ば、前述したようにしてロボット１０が任意の姿勢をと
ったときの制御パラメータζ、ωnを求めることができ
る。

【００４５】このようにして２次系伝達関数同定処理部
４で制御パラメータζ、ωnが演算されると、これらは
自動計測装置５を介してロボット制御装置６に送出され
る。送出された制御パラメータは、ウィービング振幅を
補正すべくロボット制御部６に記憶、保持される。ロボ
ット制御部６は、記憶された制御パラメータζ、ωnか
ら所望のウィービング振幅が得られる振幅指令値を補正
演算する。

【００４６】溶接作業にあたっては、ロボット制御部６
は上記補正演算された振幅指令値をロボット１０に対し
て出力する。この結果、溶接トーチ１３は所望の振幅で
ウィービング波形を描き、溶接作業を高精度に行うこと
ができる。

【００４７】なお、実施例では、３Ｈz、５Ｈzと２つの
異なる周波数における振幅比から制御パラメータを演算
するようにしているが、３以上の異なる周波数の振幅比
を求め、これらに最小二乗法を適用する等して、より精
度よく制御パラメータζ、ωnを求めることもできる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、求
めるウィービング制御パラメータに応じた異なる周波数
でウィービング動作を行わせ、このときの計測結果から
ウィービング制御パラメータが演算されるので、ウィー
ビング制御パラメータの計測が簡便にかつ高精度に行わ
れる。そして、このように簡便かつ精度よく計測された
ウィービング制御パラメータによりウィービング振幅指
令値が補正されるため、溶接トーチのウィービング振幅
が高精度となり、ロボットの溶接作業を効率よくかつ精
度よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るロボットのウィービング制
御パラメータ計測装置の実施例の装置構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】図２は図１に示す加速度−変位変換処理部の詳
細な構成を示すブロック図である。

【図３】図３は図１に示すロボットが異なる姿勢をとる
様子を示す図である。

【図４】図４は図１に示すロボットの溶接トーチが描く
ウィービング波形を示す図である。

【符号の説明】

１ 加速度検出器 ２ 加速度−変位変換処理部 ４ ２次系伝達関数同定処理部 ５ 自動計測部 ６ ロボット制御部 １０ ロボット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボット先端に取り付けられた溶接
   トーチにウィービング波形を所望の振幅で描かせるため
   のウィービング指令信号を前記ロボットの制御装置に対
   し入力することにより、前記ロボットの各軸を駆動させ
   前記溶接トーチに前記ウィービング波形を描かせるとと
   もに、該描かれたウィービング波形の振幅を出力とし、
   かつ前記ウィービング指令信号の振幅を入力とする前記
   制御装置の伝達関数のウィービング制御パラメータの値
   に応じて、前記ウィービング波形の振幅が前記所望の振
   幅となるように前記ウィービング指令信号の振幅を補正
   するようにしたロボットのウィービング制御装置に使用
   されるロボットのウィービング制御パラメータ計測装置
   において、 異なる周波数のウィービング指令信号を、前記制御装置
   に対して前記ウィービング制御パラメータの数に応じた
   回数だけ順次入力し、 前記入力された各ウィービング指令信号の振幅に応じて
   描かれるウィービング波形の振幅をそれぞれ検出し、 該検出された振幅に対する前記入力されたウィービング
   指令信号の振幅の比が前記伝達関数に等しいと置いた式
   を、異なる周波数ごとに作成し、これら式を連立して解
   くことにより前記ウィービング制御パラメータの値を求
   めるようにしたロボットのウィービング制御パラメータ
   計測装置。
2. 【請求項２】 前記溶接トーチに加速度検出器を配
   設し、該加速度検出器から出力される加速度を２回積分
   して前記溶接トーチのウィービング波形の振幅を検出す
   るようにした請求項１記載のロボットのウィービング制
   御パラメータ計測装置。